นับตั้งแต่ทศวรรษ 1980 เป็นต้นมา ความหนาแน่นของการบูรณาการของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้เพิ่มขึ้นในอัตรา 1.5 เท่าต่อปีหรือเร็วกว่านั้น การบูรณาการที่สูงขึ้นนำไปสู่ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่มากขึ้นและการสร้างความร้อนระหว่างการทำงานหากไม่สามารถกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความร้อนดังกล่าวอาจทำให้เกิดความล้มเหลวทางความร้อนและลดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์
เพื่อตอบสนองความต้องการในการจัดการความร้อนที่เพิ่มมากขึ้น วัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงที่มีคุณสมบัติการนำความร้อนดีเยี่ยมกำลังได้รับการวิจัยและปรับปรุงอย่างกว้างขวาง
วัสดุผสมเพชร/ทองแดง
01 ไดมอนด์แอนด์คอปเปอร์
วัสดุบรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมได้แก่ เซรามิก พลาสติก โลหะ และโลหะผสมของเซรามิก เซรามิก เช่น BeO และ AlN มีคุณสมบัติ CTE ที่ตรงกับเซมิคอนดักเตอร์ มีความเสถียรทางเคมีที่ดี และมีค่าการนำความร้อนปานกลาง อย่างไรก็ตาม การประมวลผลที่ซับซ้อน ต้นทุนสูง (โดยเฉพาะ BeO ซึ่งเป็นพิษ) และความเปราะบางของเซรามิกเหล่านี้จำกัดการใช้งาน บรรจุภัณฑ์พลาสติกมีต้นทุนต่ำ น้ำหนักเบา และเป็นฉนวน แต่มีคุณสมบัติการนำความร้อนต่ำและไม่เสถียรที่อุณหภูมิสูง โลหะบริสุทธิ์ (Cu, Ag, Al) มีคุณสมบัติการนำความร้อนสูง แต่มี CTE มากเกินไป ในขณะที่โลหะผสม (Cu-W, Cu-Mo) จะทำให้ประสิทธิภาพในการทนความร้อนลดลง ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีวัสดุบรรจุภัณฑ์ใหม่ๆ ที่มีความสมดุลระหว่างคุณสมบัติการนำความร้อนสูงและ CTE ที่เหมาะสมอย่างเร่งด่วน
| การเสริมแรง | ค่าการนำความร้อน (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | ความหนาแน่น (ก./ซม.) |
| เพชร | 700–2000 | 0.9–1.7 | 3.52 |
| อนุภาค BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| อนุภาค AlN | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| อนุภาค SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| อนุภาค B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| เส้นใยโบรอน | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| อนุภาค TiC | 40 | 7.4 | 4.92 |
| อนุภาค Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| หนวดเครา SiC | 32 | 3.4 | - |
| อนุภาค Si₃N₄ | 28 | 1.44 | 3.18 |
| อนุภาค TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| อนุภาค SiO₂ | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
เพชรซึ่งเป็นวัสดุธรรมชาติที่แข็งที่สุดที่รู้จัก (Mohs 10) ยังมีคุณสมบัติพิเศษอีกด้วยการนำความร้อน (200–2200 W/(m·K)).
ผงไมโครไดมอนด์
ทองแดง, กับ การนำความร้อน/ไฟฟ้าสูง (401 W/(m·K))ความเหนียว และประสิทธิภาพด้านต้นทุน ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในไอซี
การรวมคุณสมบัติเหล่านี้เข้าด้วยกันเพชร/ทองแดง (Dia/Cu) คอมโพสิต—โดยใช้ Cu เป็นเมทริกซ์และเพชรเป็นวัสดุเสริมแรง—กำลังก้าวขึ้นมาเป็นวัสดุจัดการความร้อนรุ่นถัดไป
02 วิธีการผลิตที่สำคัญ
วิธีการทั่วไปในการเตรียมเพชร/ทองแดง ได้แก่ การผงโลหะ วิธีการอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง วิธีการแช่หลอม วิธีการเผาผนึกพลาสมาปล่อย วิธีการพ่นเย็น ฯลฯ
การเปรียบเทียบวิธีการเตรียม กระบวนการ และคุณสมบัติที่แตกต่างกันของคอมโพสิตเพชร/ทองแดงขนาดอนุภาคเดี่ยว
| พารามิเตอร์ | ผงโลหะวิทยา | การรีดร้อนด้วยสูญญากาศ | การหลอมพลาสมาแบบประกายไฟ (SPS) | แรงดันสูงอุณหภูมิสูง (HPHT) | การพ่นเคลือบแบบเย็น | การแทรกซึมของการละลาย |
| ประเภทเพชร | เอ็มบีดี8 | โรคความดันโลหิตสูง-ต่ำ | เอ็มบีดี8 | เอ็มบีดี4 | พีดีเอ | MBD8/เอชดีเอชดี |
| เมทริกซ์ | ผงทองแดง 99.8% | ผงทองแดงอิเล็กโทรไลต์ 99.9% | ผงทองแดง 99.9% | โลหะผสม/ผงทองแดงบริสุทธิ์ | ผงทองแดงบริสุทธิ์ | ทองแดงบริสุทธิ์แบบแท่ง/ก้อน |
| การปรับเปลี่ยนอินเทอร์เฟซ | - | - | - | บี, ทีไอ, ซิลิกอน, โครเมียม, แซดอาร์, ดับเบิลยู, โม | - | - |
| ขนาดอนุภาค (ไมโครเมตร) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| เศษส่วนปริมาตร (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| อุณหภูมิ (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| แรงดัน (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| เวลา (นาที) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | - | 5–30 |
| ความหนาแน่นสัมพัทธ์ (%) | 98.5 | 99.2–99.7 | - | - | - | 99.4–99.7 |
| ผลงาน | ||||||
| ค่าการนำความร้อนที่เหมาะสม (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | - | 943 |
เทคนิคการผสม Dia/Cu ทั่วไป ได้แก่:
(1)ผงโลหะวิทยา
ผงเพชรผสม/ทองแดงถูกอัดและเผาให้แน่น แม้จะประหยัดต้นทุนและง่ายดาย แต่วิธีนี้ให้ความหนาแน่นจำกัด โครงสร้างจุลภาคที่ไม่สม่ำเสมอ และขนาดตัวอย่างที่จำกัด
Sหน่วยการกักขัง
(1)แรงดันสูงอุณหภูมิสูง (HPHT)
การใช้เครื่องอัดหลายทั่งทำให้ Cu ที่หลอมละลายแทรกซึมเข้าไปในโครงตาข่ายเพชรภายใต้สภาวะที่รุนแรง ทำให้ผลิตวัสดุผสมที่มีความหนาแน่นสูงได้ อย่างไรก็ตาม HPHT ต้องใช้แม่พิมพ์ที่มีราคาแพงและไม่เหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณมาก
Cสำนักพิมพ์ยูบิค
(1)การแทรกซึมของการละลาย
ทองแดงหลอมเหลวแทรกซึมเข้าไปในพรีฟอร์มเพชรโดยอาศัยแรงดันหรือการแทรกซึมที่ขับเคลื่อนด้วยเส้นเลือดฝอย คอมโพสิตที่ได้จะมีค่าการนำความร้อนมากกว่า 446 W/(m·K)
(2)การหลอมพลาสมาแบบประกายไฟ (SPS)
กระแสไฟฟ้าแบบพัลส์จะหลอมผงที่ผสมกันอย่างรวดเร็วภายใต้แรงดัน แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพ แต่ประสิทธิภาพของ SPS จะลดลงเมื่อมีปริมาณเพชร >65%
แผนผังของระบบการเผาผนึกพลาสม่าแบบปล่อยประจุ
(5) การสะสมการพ่นแบบเย็น
ผงจะถูกเร่งให้แข็งตัวและสะสมไว้บนพื้นผิว วิธีการใหม่นี้ต้องเผชิญกับความท้าทายในการควบคุมพื้นผิวและการตรวจสอบประสิทธิภาพความร้อน
03 การปรับเปลี่ยนอินเทอร์เฟซ
สำหรับการเตรียมวัสดุคอมโพสิต การเปียกร่วมกันระหว่างส่วนประกอบเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นที่จำเป็นสำหรับกระบวนการคอมโพสิตและเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อโครงสร้างอินเทอร์เฟซและสถานะการยึดติดอินเทอร์เฟซ สภาวะไม่เปียกที่อินเทอร์เฟซระหว่างเพชรและ Cu นำไปสู่ความต้านทานความร้อนของอินเทอร์เฟซที่สูงมาก ดังนั้น จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องดำเนินการวิจัยการดัดแปลงอินเทอร์เฟซระหว่างทั้งสองโดยใช้วิธีการทางเทคนิคต่างๆ ปัจจุบัน มีสองวิธีหลักในการปรับปรุงปัญหาอินเทอร์เฟซระหว่างเมทริกซ์เพชรและ Cu: (1) การบำบัดพื้นผิวของเพชร (2) การบำบัดโลหะผสมของเมทริกซ์ทองแดง
แผนผังการปรับเปลี่ยน: (ก) การชุบโดยตรงบนพื้นผิวของเพชร; (ข) การผสมโลหะผสมเมทริกซ์
(1) การปรับเปลี่ยนพื้นผิวของเพชร
การชุบธาตุที่ใช้งาน เช่น Mo, Ti, W และ Cr บนชั้นผิวของเฟสเสริมแรงสามารถปรับปรุงลักษณะของอินเทอร์เฟซของเพชรได้ จึงช่วยเพิ่มการนำความร้อนได้ การเผาผนึกสามารถทำให้ธาตุดังกล่าวข้างต้นทำปฏิกิริยากับคาร์บอนบนพื้นผิวของผงเพชรเพื่อสร้างชั้นทรานสิชั่นคาร์ไบด์ ซึ่งจะช่วยปรับสถานะการเปียกระหว่างเพชรและฐานโลหะให้เหมาะสมที่สุด และการเคลือบผิวสามารถป้องกันไม่ให้โครงสร้างของเพชรเปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิสูงได้
(2) การผสมโลหะผสมของเมทริกซ์ทองแดง
ก่อนการประมวลผลวัสดุแบบผสม จะมีการทำการชุบโลหะผสมล่วงหน้ากับโลหะทองแดง ซึ่งสามารถผลิตวัสดุแบบผสมที่มีค่าการนำความร้อนสูงโดยทั่วไปได้ การเจือองค์ประกอบที่ออกฤทธิ์ในเมทริกซ์ทองแดงไม่เพียงแต่จะช่วยลดมุมการเปียกระหว่างเพชรและทองแดงได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังสร้างชั้นคาร์ไบด์ที่ละลายได้ในเมทริกซ์ทองแดงที่ส่วนต่อประสานเพชร/ทองแดงหลังปฏิกิริยาอีกด้วย ด้วยวิธีนี้ ช่องว่างส่วนใหญ่ที่ส่วนต่อประสานวัสดุจะถูกปรับเปลี่ยนและเติมเต็ม จึงทำให้ค่าการนำความร้อนดีขึ้น
04 บทสรุป
วัสดุบรรจุภัณฑ์แบบเดิมไม่สามารถจัดการความร้อนจากชิปขั้นสูงได้ วัสดุคอมโพสิต Dia/Cu ที่มี CTE ที่ปรับได้และการนำความร้อนได้สูงเป็นพิเศษ ถือเป็นโซลูชันที่เปลี่ยนแปลงวงการสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป
ในฐานะองค์กรด้านเทคโนโลยีขั้นสูงที่ผสานรวมอุตสาหกรรมและการค้าเข้าด้วยกัน XKH มุ่งเน้นไปที่การวิจัยและพัฒนาและการผลิตคอมโพสิตเพชร/ทองแดงและคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะประสิทธิภาพสูง เช่น SiC/Al และ Gr/Cu โดยมอบโซลูชันการจัดการความร้อนเชิงนวัตกรรมที่มีค่าการนำความร้อนมากกว่า 900W/(m·K) สำหรับสาขาการบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ โมดูลพลังงาน และการบินและอวกาศ
เอ็กซ์เคเอช-วัสดุคอมโพสิตลามิเนตเคลือบทองแดงเพชร:
เวลาโพสต์ : 12 พ.ค. 2568